喷雾液滴撞壁模拟研究

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液滴碰壁现象广泛存于自然界和工程实际中,比如雨滴的下落,燃油的喷射等。在发动机中,液滴碰壁现象直接关系到缸内燃气混合的好坏,对之后的燃烧和排放过程具有重要影响,研究液滴撞壁过程的动力学行为和微观机理有重要意义。本文通过对单液滴碰壁现象的总结和分析,探讨了液滴碰壁过程的内部机理,并对喷雾液滴碰壁模型进行了讨论。对单液滴碰壁后的铺展行为进行了理论分析,通过对接触线附近贴壁区域流动状态的分析求解,建立了铺展行为的动态接触角模型,获得了各因素对铺展行为的作用规律。根据流体力学控制方程建立了液滴撞击壁面数学模型,利用OpenFOAM开源软件,采用VOF方法,对液滴撞壁过程进行了数值模拟,分析了液滴撞壁后的流动状态,详细探讨液滴物性、壁面特性、撞击速度、撞击角度等因素对液滴撞壁后形态变化的影响。模拟结果表明:当液滴垂直撞击平壁时,液滴的流动是对称的,液滴倾斜撞壁时,流动不对称。壁面特性主要体现接触角的影响,对于高润湿性壁面,液滴容易粘附在壁面上;对于非润湿性壁面,液滴容易发生断裂、破碎或反弹。粗糙壁面和光滑壁面液滴铺展行为不同,粗糙壁面会在一定程度上阻止液滴的流动。液滴的初始撞击速度对液滴撞壁后的行为有很大影响,速度越大,液滴铺展越快,铺展面积越大。液滴撞击湿壁时,会与壁面油膜发生作用,形成两个飞溅的液幕,液滴和油膜的流动状态受壁面油膜厚度的影响。液滴撞击球面时,球面存在一定的曲率,导致表面张力方向发生变化,铺展过程中,球面直径增大,液滴的铺展系数增大,球面直径的变化对液滴达到最大铺展所需时间影响不大;球面直径越小,铺展厚度越小,最小铺展厚度越小,当球面直径足够小时,铺展液膜会出现中心局部破裂。
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